Conversor CC-CC de Alto Ganho Voltado para Aplicações Fotovoltaicas com Módulos CONVERSOR de Filme Fino CC-CC DE ALTO GANHO VOLTADO PARA APLICAÇÕES

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1 nversor CC-CC de Alo Ganho olado para Aplcações Foovolacas com Módulos CONERSOR de Flme Fno CC-CC DE ALTO GANHO OLTADO PARA APLICAÇÕES Hgh Sep-Up FOTOOLTAICAS DC-DC nverer COM for Thn-Flm MÓDULOS P Module DE Applcaons FILME FINO Lenon Schmz, Thamres P. Horn, Denzar C. Marns, Robero F. elho Lenon Schmz, Thamres P. Horn, Denzar C. Marns, Robero F. elho Unversdade Federal de Sana Caarna, Floranópols SC, Brasl e-mal: lenonsch@nep.ufsc.br, hamreshorn@gmal.com, denzar@nep.ufsc.br, robero@nep.ufsc.br Resumo Ese argo propõe um novo conversor cc-cc não solado de alo ganho baseado no clássco conversor Buck síncrono com nduor acoplado e mulplcadores de ensão. Além de apresenar baxos esforços de ensão nos nerrupores, o conversor proposo perme uma menor ulzação magnéca quando comparado a conversores baseados na opologa Boos, levando a uma esruura mas compaca. Seu modo de operação ressonane possbla comuação com ensão nula na avação dos nerrupores e comuação com correne nula no bloqueo dos dodos, o que aumena seu rendmeno. Resulados expermenas obdos a parr de um proópo de 150 W, capaz de operar com uma grande varedade de módulos de flme fno, com ensão de enrada de e ensão de saída de 400, mosram que o rendmeno máxmo obdo é de 98,0% e os rendmenos ponderados da mssão de Energa da Calfórna (CEC) são superores a 96,7% em oda a faxa de ensão de enrada. Palavras-Chave Baxa Tensão nos Inerrupores, nversor cc-cc de Alo Ganho, olume Magnéco Reduzdo. HIGH STEP-UP DC-DC CONERTER FOR THIN-FILM P MODULE APPLICATIONS Absrac Ths paper proposes a novel hgh sep-up non-solaed dc-dc converer based on he classcal synchronous Buck converer wh coupled nducor and volage mulpler echnques. Besdes he low swches volage sress feaure, he proposed converer presens a lower magnec ulzaon han he Boos-based ones, leadng o a more compac srucure. Is resonan operaon mode enables zero-volage-swchng (ZS) urn-on of acve swches and zero-curren-swchng (ZCS) urn-off of dodes, whch ncreases s effcency. Expermenal resuls exraced from a 150 W prooype, able o work wh a large varey of commercal P hnflm modules, wh npu and 400 upu volages, show ha he maxmum obaned effcency s nearly 98.0% and he weghed Calforna Energy mmsson (CEC) effcences are greaer han 96.7% over he whole npu volage range. Keywords Hgh Sep-up dc-dc nverer, Low Swches olage Sress, Reduced Magnec Sze. Argo submedo em 17/01/2018. Prmera revsão em 20/03/2018. Aceo para publcação em 06/04/2018 por recomendação do Edor Marcello Mezaroba. I. INTRODUÇÃO Apesar da redução na porcenagem de produção global anual nos úlmos anos, a ecnologa de flme fno anda represena uma parcela mporane do mercado de módulos foovolaco (F), angndo cerca de 6% (ou 4,9 GW p ) em 2016, o que represena um crescmeno de produção de 17% em relação ao ano aneror [1]. Esse po de ecnologa geralmene apresena menor cuso, mas é menos efcene quando comparada com a ecnologa de slíco crsalno [1], [2]; embora enha melhorado ao longo dos anos. Devdo ao seu baxo cuso e ouras caraceríscas peculares (por exemplo, flexbldade, menor peso e facldade de negração), os módulos de flme fno êm sdo amplamene ulzados em ssemas foovolacos negrados a edfícos (Buldng-Inegraed Phoovolac - BIP) [3]. Em ssemas BIP, os módulos F são consanemene submedos a dferenes níves de rradação devdo a sombreamenos parcas e orenações dvergenes [4], [5], reduzndo as poêncas fornecdas pelos ssemas se nversores srngs forem ulzados. Uma solução para esa perda de poênca é o uso de conversores negrados a módulos (Module-Inegraed nverers - MICs) [5]-[8], vso que o rasreameno do pono de máxma poênca (Maxmum Power Pon Trackng - MPPT) pode ser realzado de manera dsrbuída. Denre as rês arqueuras radconas de MICs [6], o mcronversor (ou módulo ca) é o únco que possu mporane parcpação no mercado foovolaco [1]. No enano, os mcronversores comercas são geralmene projeados para aender às especfcações de módulos de slíco crsalno e não podem ser usados em módulos de flme fno. Para demonsrar esa resrção, na Tabela I são descros os prncpas mcronversores comercas, enquano na Fgura 1 é apresenado um resumo de módulos F comercas de (a) slíco crsalno e (b) flme fno de dferenes fabrcanes. nforme mosrado na Fgura 1 (b), as ensões no pono de poênca máxma (Maxmum Power Pon - MPP) dos módulos de flme fno varam de 40 a 100, enquano, medane a Tabela I, pode-se noar que os mcronversores comercas geralmene operam como MPPT para ensões enre 20 e 50 ; exaamene a faxa de operação da maora dos módulos de slíco crsalno (Fgura 1 (a)). Além dsso, é possível observar por meo da Fgura 1 que os módulos de flme fno normalmene possuem poêncas menores do que os de slíco crsalno, o que ornara os mcronversores comercas sobredmensonados. Mcronversores comercas cosumam ulzar arqueura monofásca e adoar confguração em eságo únco ou dos eságos. Enreano, a fm de evar o uso de capacores elerolícos como elemenos armazenadores para desacoplameno de energa, a solução em dos eságos em- Elerôn. Poên., Jonvlle, v. 23, n. 3, p , jul./se

2 TABELA I Mcronversores mercas Fabrcane Modelo Operação Poênca como MPPT Nomnal SMA Sunny Boy W MICRO W ABB MICRO W MICRO 0.3 H W M W M W Enphase M W S W S W Semens SMII215R W SMII250R W INOLAR MAC W ReneSola Replus W Energy GT W Solar Panels Plus MI A W Remon Solar RM-WC-260HF W RM-WC-295HF W Darfon Mcro Inverer W se mosrado a melhor alernava [9]. Nessa confguração, normalmene emprega-se um conversor cc-cc com ganho elevado para adapar a ensão do módulo F ao paamar do barrameno cc (380~400) requerdo pelo conversor cc-ca para a conexão com a rede elérca (208~240 ). Esse conversor cc-cc elevador pode ser solado ou não solado, enreano, os não solados comumene apresenam menores perdas e cuso [4]; junamene com o fao de o solameno galvânco não ser exgdo por norma [4], [8]. Na úlma década, város conversores cc-cc não solados de alo ganho [8], [10]-[32], capazes de fornecer o ganho (10~20) necessáro para processar a energa de módulos de slíco crsalno, foram proposos na leraura e não eram problemas em fazer o mesmo para aplcações com módulos de flme fno, uma vez que um menor ganho esáco (4~10) é necessáro. Em geral, esses conversores são baseados no conversor Boos e empregam écncas elevadoras de ensão [10]. Uma das suas prncpas vanagens (e responsável por alcançar alos níves de rendmeno) é o baxo esforço de ensão sobre os nerrupores, o que facla o uso de MOSFETs com baxa ressênca de condução. Todava, no caso de uso de módulos de flme fno, as conversores eram que ldar com ensões de enrada maores (Fgura 1) e, por esse movo, não poderam connuar empregando MOSFETs de baxa ensão ( 100 ), o que resulara no aumeno das perdas de condução e de comuação. Para soluconar essa quesão, ese argo propõe um novo conversor cc-cc de alo ganho e alo rendmeno baseado no conversor Buck síncrono empregando as écncas de nduores acoplados e mulplcadores de ensão. Embora o conversor proposo seja baseado no conversor abaxador clássco, o uso dessas duas écncas de alo ganho o ransforma em um conversor elevador; smlarmene ao que aconece com a adção de um ransformador de solameno na concepção do conversor Forward. O conversor proposo apresena dversas vanagens que serão dscudas nese argo, as como: 1) menor esforço de ensão sobre os nerrupores avos; 2) odos os dsposvos apresenam ensão grampeada e seus esforços de ensão são relavamene menores que a ensão de saída; 3) os Fg. 1. Poênca e ensão no MPP de módulos de (a) slíco crsalno (com 60 e 72 células) e (b) flme fno nas condções padrão de ese exraídos das folhas de dados dos fabrcanes. nerrupores e os dodos apresenam caraceríscas de comuação suave, o que é úl para alvar as perdas de comuação e os ruídos de nerferênca eleromagnéca; 4) o nduor acoplado requer reduzda ulzação magnéca, o que leva a um dsposvo magnéco compaco; 5) a energa de dspersão do nduor acoplado é recclada, aumenando a efcênca e evando sobreensões nos nerrupores; 6) os nerrupores avos podem solar efcenemene o módulo foovolaco durane condções não operaconas, o que aumena a segurança. II. PRINCÍPIO DE OPERAÇÃO E ANÁLISE EM REGIME PERMANENTE O modelo comuado do conversor proposo é lusrado na Fgura 2. O nduor acoplado é represenado por um ransformador deal com um nduor magnezane e um nduor de dspersão, ambos referencados ao prmáro; represena a ensão equvalene do módulo F de flme fno; e são os nerrupores avos; e são os dodos das células mulplcadoras de ensão; é o dodo de saída; é o capacor Buck que ressona com o nduor de dspersão; e são os capacores das células mulplcadoras de ensão; C o é o capacor de saída; e R o é a carga ressva. Além dsso, algumas premssas são consderadas para a análse operaconal: 1) e são MOSFETs deas com dodos de corpo e capacores equvalenes parasa de junção e ; 2) os demas dsposvos são deas; 3) os capacores, e C o são grandes o sufcene para que suas ensões possam ser consderadas consanes; 4) a relação de ransformação n do nduor acoplado é defnda por n = N 2 /N 1, onde N 1 e N Elerôn. Poên., Jonvlle, v. 23, n. 3, p , jul./se. 2018

3 Fg. 2. nversor proposo. são respecvamene os números de espras dos enrolamenos prmáro e secundáro. A. Prncípo de Operação As eapas de operação são descras abaxo e mosradas na Fgura 3, enquano as prncpas formas de onda são lusradas na Fgura 4. Eapa 1 ( 0 < < 1 ): em = 0, o nerrupores enconram-se bloqueados. Assm sendo, a correne magnezane começa a descarregar o capacor e a carregar o capacor, conforme mosrado na Fgura 3 (a). Esa eapa ermna quando o dodo de corpo do nerrupor é dreamene polarzado. Eapa 2 ( 1 < < 2 ): com a condução do dodo de corpo de, a correne 1 do enrolameno prmáro do nduor acoplado flu aravés dese dodo, proporconando ao nerrupor uma condção para comuação sob ensão nula (Zero olage Swchng - ZS). Uma vez que a ensão no nduor magnezane é agora b, a correne cresce lnearmene e o dodo é dreamene polarzado. Ademas, os capacores, e e o enrolameno secundáro do nduor acoplado fornecem energa ao capacor C o e à carga R o de manera ressonane. Esa eapa é mosrada na Fgura 3 (b) e ermna quando é comandado a conduzr. Eapa 3 ( 2 < < 3 ): em = 2, o nerrupor enra em condução sob ZS. A correne magnezane anda cresce lnearmene e o dodo permanece em condução, conforme lusra a Fgura 3 (c). Além do mas, o capacor de saída C o e a carga R o connuam sendo carregados pelos capacores, e e pelo enrolameno secundáro do nduor acoplado. Esa eapa ermna quando a correne 2 do enrolameno secundáro do nduor acoplado ressona novamene a zero. Eapa 4 ( 3 < < 4 ): quando a correne 2 ressona de vola a zero, o dodo é bloqueado sob correne nula (Zero Curren Swchng - ZCS), enquano a carga R o é susenada pelo capacor C o, conforme lusrado na Fgura 3 (d). Esa eapa ermna quando o nerrupor é comando a bloquear. D C j2 b (a) (e) (b) (f) (c) (g) (d) (h) Fg. 3. Eapas de operação do conversor proposo: (a) Eapa 1, (b) Eapa 2, (c) Eapa 3, (d) Eapa 4, (e) Eapa 5, (f) Eapa 6, (g) Eapa 7, e (h) Eapa 8. Elerôn. Poên., Jonvlle, v. 23, n. 3, p , jul./se

4 DT s 1 DTs v gs1 v gs2 v v S1 1 2 Fg. 5. Ganho esáco do conversor proposo em função da razão cíclca e sob dferenes valores de relação de ransformação. S1 magnezane, enquano a carga R o é manda pelo capacor C o. Esa eapa é lusrada na Fgura 3 (h) e chega ao fm quando é comandado a bloqueado. Do,2 B. Equações em Regme Permanene nsderando que os nervalos de empo para carregar e descarregar os capacores e são nsgnfcanes, as Eapas 1 e 4 podem ser desconsderadas, por consegune: Fg. 4. Prncpas formas de onda em regme permanene. Eapa 5 ( 4 < < 5 ): em = 4 o nerrupor é bloqueado. Assm, a correne magnezane começa a descarregar o capacor e a carregar o capacor, como mosrado na Fgura 3 (e). Esa eapa chega ao fm quando o dodo de corpo do nerrupor é dreamene polarzado. Eapa 6 ( 5 < < 6 ): com a condução do dodo de corpo de, a correne 1 do enrolameno prmáro do nduor acoplado flu aravés dese dodo, proporconando ao nerrupor uma condção ZS. so que a ensão sobre o nduor magnezane é agora b, a correne decresce lnearmene e os dodos e são dreamene polarzados. Além dsso, os capacores e são carregados pelo enrolameno secundáro do nduor acoplado de manera ressonane, enquano o capacor de saída C o maném a carga R o. Esa eapa é apresenada na Fgura 3 (f) e ermna quando é comando a conduzr. Eapa 7 ( 6 < < 7 ): em = 6, o nerrupor enra em condução sob ZS. A correne magnezane anda decresce lnearmene e os dodos e permanecem em condução, como lusrado na Fgura 3 (g). Ademas, a carga R o connua sendo manda pelo capacor de saída C o, enquano o enrolameno secundáro do nduor acoplado connua a carregar os capacores e. Esa eapa ermna quando a correne 2 do enrolameno secundáro do nduor acoplado ressona de vola a zero. Eapa 8 ( 7 < < 8 ): quando a correne 2 ressona de vola a zero, os dodos e bloqueam sob ZCS. O capacor connua a carregar lnearmene o nduor DT 4 1 (1) D T. (2) s 1 s 8 5 Aplcando o balanço vol-segundo nos enrolamenos do nduor acoplado, as segunes equações são obdas: DT T 1 s s v vlk Cb d Cb d Ts 0 DTs 0 (3) DT T 1 s s nv o Cb C1 d C1d 0 T. s 0 DTs (4) Ademas, medane as Eapas 6 e 7, é sabdo que: n. (5) C1 Cb Porano, a parr de (3) (5), pode-se ober os valores médos das ensões sobre os capacores, e e o ganho esáco de ensão M do conversor proposo: Cb D (6) C1 C2 nd (7). (8) o M D nd n A Fgura 5 apresena as curvas de ganho esáco do conversor proposo em função da razão cíclca e sob dferenes valores de relação de ransformação. Noa-se que, devdo ao conversor proposo ser baseado no conversor Buck, o seu ganho esáco possu caracerísca lnear. 342 Elerôn. Poên., Jonvlle, v. 23, n. 3, p , jul./se. 2018

5 III. COMPARAÇÃO COM CONERSORES BASEADOS NO BOOST Algumas caraceríscas do conversor proposo em comparação com os conversores baseados no Boos [8], [10]- [32], prevamene dscudos na nrodução, são analsadas nesa seção. Para análse a segur, os subscros Bk e B represenam os conversores baseados no Buck e no Boos. A. Ulzação Magnéca Em conversores cc-cc de alo ganho que ulzam nduor acoplado e mulplcadores de ensão, o componene magnéco é um faor domnane de volume do MIC [8]. O amanho desse componene é proporconal à energa armazenada em seu núcleo magnéco [8], ou seja: 1 AeWa LI m I I (9) 2 em que I é o valor médo da correne magnezane e ΔI é a ondulação da correne magnezane. O valor médo da correne magnezane em dferenes conversores baseados no Boos com nduor acoplado e mulplcadores de ensão pode ser genercamene descro por [10]: ondeab, * ab1 e I. B MB abnb Io (10) M B 1an a b n D 1 D B B B B. (11) Por ouro lado, o valor médo da correne magnezane do conversor proposo é dado por:. Bk 1 Bk o I n I. (12) Além do mas, as ondulações das correnes magnezanes dos conversores baseados no Boos e do conversor proposo são respecvamene: DB I. B 2L f (13) m. B s DBk 1 DBk I. Bk. (14) 2L f m. Bk s Para comparar eses dos pos de conversores, (10) (12) e (13), (14) podem ser grafcamene analsadas. A Fgura 6 (a) mosra o valor médo normalzado da correne magnezane I I (15) Io em função do ganho esáco M para o conversor proposo e para os conversores baseados no Boos com dferenes Fg. 6. (a) rrene magnezane normalzada em função do ganho esáco, e (b) ondulação magnezane normalzada em função da razão cíclca. índces a e b; consderando que as relações de ransformação dos nduores acoplados são ajusadas de modo que odos os conversores forneçam o mesmo ganho esáco (M = 6,5) a 50% de razão cíclca. Por meo da Fgura 6 (a) é possível observar que, se os conversores operarem denro da faxa de ganho esáco para aplcações foovolacas com módulos de flme fno, os conversores baseados no conversor Boos apresenarão um valor médo de correne magnezane máxma mas ala que para o conversor proposo. Apesar de er sdo assumdo 50% de razão cíclca para o valor médo do nervalo de ganho esáco, uma hpóese dferene não mudara o fao de o nduor acoplado do conversor proposo apresenar menor valor médo para a correne magnezane. Noe que, de acordo com (10), para D > 0,5 e M = 6,5, a relação de ransformação deve dmnur, ou seja, a correne méda I LM somene reduzrá se a < b. Todava, no melhor caso (n = 0) será gual ao resulado de a = b, que é ndependene de n. Em conraparda, para D < 0,5 e M = 6,5, a relação de ransformação deve aumenar, ou seja, a correne méda I LM somene reduzrá se a > b. No enano, para uma operação adequada em oda a faxa de ganho esáco, a relação de ransformação deve ser nferor a (M mn 1)/a (conforme (10) para D = 0), exaamene o valor n ulzado na Fgura 6 (a) para o melhor caso (a = 2) de a > b. Além dsso, a Fgura 6 (b) lusra a ondulação normalzada da correne magnezane 2 f s I I (16) em função da razão cíclca D para ambos os pos de conversores, demonsrando que a ondulação será sempre maor nos conversores baseados no Boos do que no conversor proposo para um mesmo valor de razão cíclca. Mesmo que sejam consderados dferenes valores de razão cíclca, pode-se noar que os conversores baseados na opologa Boos erão uma ondulação menor apenas para D < 0,25, um nervalo de varação de razão cíclca nsufcene para ldar com uma razoável faxa operaconal de ganho esáco, como na aplcação proposa. Porano, por nermédo de (9) e da dscussão acma, fca claro que, para aplcações com módulo F de flme fno, o conversor proposo é capaz de reduzr o amanho do nduor acoplado em comparação com os conversores baseados na opologa Boos [8], [10]-[32]. Elerôn. Poên., Jonvlle, v. 23, n. 3, p , jul./se

6 B. Esforços de Tensão O pco de ensão reversa nos dsposvos semconduores de poênca nos conversores baseados na opologa Boos [10] e no conversor proposo são mosrados na Tabela II. Devdo à dependênca da razão cíclca e da relação de ransformação nos esforços de ensão, a análse comparava deve levar em consderação o fao de os conversores baseados no Boos poderem fornecer um maor ganho esáco para os mesmos valores de relação de ransformação e dferene faxa de operação de razão cíclca do que o conversor proposo, conforme (8) e (11). Para uma comparação mas jusa, na Fgura 7 são mosrados os esforços de ensão normalzados TABELA II Esforços de Tensão nversor Proposo ˆS. Bk. n ˆD. Bk Bk. nversores baseados no Boos ˆ 1 S B 1 D ˆ nb D B 1 D SD, ˆS, D (17) o em função do ganho esáco para o conversor proposo e rês dferenes conversores baseados na opologa Boos; novamene, consderando que a relação de ransformação é ajusada para que odos forneçam o mesmo ganho esáco (M = 6,5) a 50% de razão cíclca. Por meo da Fgura 7 (a), pode-se noar que o conversor proposo proporcona menor esresse de ensão sobre os nerrupores avos do que os baseados na opologa Boos. De fao, como pode ser vso na Tabela II, esse resulado sempre será verdadero, vso que (1 D) 1. nforme menconado anerormene, al vanagem coloca o conversor proposo como um canddao neressane para aplcações com módulos foovolacos de flme fno, pos perme o uso de MOSFETs de baxa ensão ( 100 ), os quas aualmene possuem maor desempenho de rendmeno. Em conrase, por meo da Fgura 7 (b), pode-se observar que o conversor proposo apresena maor pco de ensão reversa, para o nervalo de ganho esáco consderado, do que os conversores baseados na opologa Boos. Isso é resulado da menor capacdade de ganho esáco do conversor proposo, que necessa de um maor valor de relação de ransformação para alcançar o mesmo ganho esáco. Embora essa caracerísca conssa em uma desvanagem, para a aplcação proposa, os dos pos de conversores precsarão de dodos com ensão de rupura superor a 200 (uma classe de ensão domnada por dsposvos de 300 e 400 que aualmene apresenam quedas de ensão muo semelhanes). I. CONDIÇÕES PARA COMUTAÇÃO SUAE E CONSIDERAÇÕES DE PROJETO A. ndções para muação Suave A fm de alcançar ZS na enrada em condução dos nerrupores e ZCS no bloqueo dos dodos, algumas condções devem ser sasfeas: 1) ZS na enrada em condução de : A energa armazenada no nduor magnezane deve ser grande o sufcene para realzar, respecvamene, a carga e a descarga dos capacores e : Fg. 7. (a) Esforço de ensão normalzado nos nerrupores, e (b) esforço de ensão normalzado nos dodos, ambos em função do ganho esáco. O empo moro requerdo é: L m ( 0 ) Cj1,2. (18) 2 2 2C 2C S2S1 2 0 ( ) I I j1 j1 0. (19) 2) ZS na enrada em condução de : A energa armazenada no nduor magnezane deve ser grande o sufcene para realzar, respecvamene, a carga e a descarga dos capacores e : L m ( 4 ) Cj1,2. (20) 2 2 Além dsso, a correne magnezane nsanânea em 4 deve ser negava para propcar carga e descarga adequadas dos capacores, logo: I I. (21) Subsundo (12) e (14) em (21), enconra-se: L m n O empo moro requerdo é: D1 D. (22) 2 1 fi 2C 2C S1 S2 6 4 ( ) I I s o j2 j2 4. (23) 3) ZCS no bloqueo de e : A correne 2 deve ressonar a zero anes de enrar em condução, assm: DTs Cb. (24) Lk 344 Elerôn. Poên., Jonvlle, v. 23, n. 3, p , jul./se. 2018

7 4) ZCS no bloqueo de : A correne 2 deve ressonar a zero anes de enrar em condução, porano: 1 n 1 DT s Cb. (25) Lk n 2 B. nsderações de Projeo As prncpas consderações de projeo relavas ao conversor proposo baseado no conversor Buck síncrono podem ser resumdas da segune forma: Relação de ransformação n: O valor da relação de ransformação do nduor acoplado é seleconado de modo que o nervalo de ganho esáco (8) possa ser sasfeo, bascamene n M (2n+1) para 0 D 1. Induânca magnezane : A escolha desse valor de nduânca esá dreamene relaconada com as condções ZS dos nerrupores, conforme (18) (23). Ademas, al nduânca ambém defne a ondulação da correne magnezane (14), a qual não deve ser muo grande a fm de evar perdas elevadas no núcleo. Induânca de dspersão : O nduor acoplado deve ser consruído de manera que a nduânca de dspersão seja pequena, vso que resula em perda de razão cíclca, afeando o ganho esáco deal obdo em (8). Por ouro lado, é mporane que o seu valor não seja excessvamene pequeno a pono de resular em uma grande capacânca para aender as condções de comuação suave nos dodos. Capacânca : Ese parâmero é escolhdo para sasfazer as condções ZCS dos dodos, descras por (24) e (25). Enreano, deve-se er cudado para evar que as frequêncas de ressonânca se ornem muo alas em comparação com a frequênca de comuação, pos resulará em elevados valores efcazes de correne por odo o conversor. Ocasonalmene, pode ser neressane perder a caracerísca de comuação suave para alguns ponos de operação (valores exremos de razão cíclca). Capacâncas, e C o : Essas capacâncas devem ser seleconadas de modo que as ensões nos capacores possam ser consderadas consanes (ondulação nsgnfcane). Se essa condção não for cumprda, eles ambém rão nfluencar na operação ressonane do conversor proposo. Flro LC de enrada L f e C f : No conversor proposo, a correne de enrada é a própra correne no nerrupor, ou seja, uma forma de onda desconínua, conforme lusrado na Fgura 4. Dessa forma, em aplcações F, é mprescndível a nserção de um flro LC de enrada, a fm de garanr uma baxa ondulação (em orno de 1%) na correne fornecda pelo módulo foovolaco.. RESULTADOS EXPERIMENTAIS m o nuo de verfcar a análse realzada para o conversor proposo, o proópo da Fgura 8 fo consruído e esado. As especfcações de projeo foram escolhdas para aender os valores de poênca e ensão de operação da Fg. 8. Foografa do proópo (71 mm / 94 mm / 20 mm). TABELA III Especfcações do Proópo Tensão de enrada ( ) Tensão de saída ( ) 400 Poênca máxma de saída (P o ) 150 W Frequênca de comuação (f s ) 100 khz Relação de ransformação (n) 3,8 TABELA I mponenes do Eságo de Poênca,,, Núcleo Prmáro Secundáro / L f C f, C o IPB039N10N3 ES3G RM10 N87 8T 150xAWG38 28T 80xAWG41 20 µh / 150 nh SRU Y 4(//) x 22 µh / 100 cerâmco 3(//) x 1 µh / 100 cerâmco 2( ) x 22 µh / 100 cerâmco 5 µf / 500 flme maora dos módulos foovolacos de flme fno mosrados na Fgura 1, conforme resumdo na Tabela III. Por meo dessas especfcações e das consderações de projeo descras na seção I fo possível deermnar os componenes do eságo de poênca lsados na Tabela I. Os resulados expermenas foram obdos por meo de uma fone Tecrol TCA e uma carga elerônca desenvolvda em laboraóro. A Fgura 9 apresena as ensões sobre os nerrupores e, a ensão no capacor e a correne 1 no enrolameno prmáro, com ensão de enrada de 65 e em (a) plena, (b) mea e (c) baxa carga, lusrando a operação ressonane do conversor proposo. A Fgura 10 mosra a ensão de enrada v, a ensão de saída v o, a ensão sobre o nerrupor e a correne 1 no enrolameno prmáro para dferenes valores de ensão de enrada, a fm de demonsrar a operação do conversor proposo para oda a faxa de ensão de enrada consderada em projeo. As caraceríscas de comuação suave do conversor são apresenadas expermenalmene na Fgura 11. A Fgura 11 (a) e a Fgura 11 (b) apresenam, respecvamene, as ensões de porão-fone v gs1 e v gs2, as ensões de dreno-fone nos nerrupores avos e, bem como a correne 1 no enrolameno prmáro. Nessas fguras pode-se noar que os nerrupores enram em condução apenas depos que suas Elerôn. Poên., Jonvlle, v. 23, n. 3, p , jul./se

8 Fg. 9. Formas de onda expermenas do modo de operação ressonane com ensão de enrada de 65 em (a) plena (100%), (b) mea (50%) e (c) baxa (10%) carga. ensões de dreno-fone caem a zero, provando a comuação suave do po ZS na enrada em condução dos nerrupores. Além do mas, a Fgura 11 (c) mosra a correne 2 no enrolameno secundáro e as ensões nos dodos (o mesmo que ) e. Medane as formas de onda é possível observar a comuação suave do po ZCS no bloqueo dos dodos, uma vez que suas correnes podem ser dervadas de 2 (Fgura 4). ale ressalar que as medções das correnes nos enrolamenos do nduor acoplado foram feas por um ransduor de correne de Rogowsk, não apresenando, porano, valor médo. O rendmeno do proópo fo meddo pelo analsador de poênca WT1800. A Fgura 12 (a) mosra as curvas de rendmeno do proópo para oda faxa de ensão de enrada e sob dferenes níves de poênca de saída. Além dsso, o rendmeno ponderado esabelecdo pela mssão de Energa da Calfórna (CEC) Fg. 10. Formas de onda expermenas em plena carga para oda faxa de ensão de enrada: (a) 55, (b) 65, (c) 75 e (d) 85. Fg. 11. Formas de onda expermenas que ndcam (a) ZS na avação de, (b) ZS na avação de, e (c) ZCS no bloqueo de,, e. 0,04 0,05 CEC 10% 20% 0,12 0, 21 0, 53 0, 05 30% 50% 75% 100% (26) basane ulzado em folhas de dados de mcronversores comercas, fo calculado para cada valor de ensão de enrada da Fgura 12 (a), como pode ser vso na curva da Fgura 11 (b). erfca-se que o conversor proposo é capaz de fornecer alos níves de rendmeno, uma vez que o pco de rendmeno meddo fo de 98,0%, enquano os rendmenos ponderados CEC foram superores a 96,7%. Ademas, por meo da Fgura 12, pode-se noar que os pores resulados de rendmeno foram obdos para valores nermedáros de ensão de enrada. Isso se deve ao fao de a ondulação ser maor para os valores cenras de razão cíclca (Fgura 6 (b)) e, assm, as perdas do núcleo ambém são maores nesses ponos de operação; esse resulado é mas noável em baxa poênca, onde as perdas do núcleo são domnanes. Em relação aos resulados de rendmeno para a ensão de enrada de 85, os valores mas baxos ocorrem Fg. 12. (a) Curvas de efcênca expermenal em função da poênca da saída com dferenes valores de ensão de enrada, e (b) curva de efcênca CEC ponderada (37) com envelope de erro em função da ensão de enrada. porque algumas condções de comuação suave não foram aenddas, assocado ao fao de que maores valores efcazes de correne são obdos nesses ponos de operação. A fm de comprovar a precsão dos resulados de rendmeno apresenados, uma análse de erro fo realzada, de modo que o envelope de ncereza obdo é lusrado na Fgura 12 (b). 346 Elerôn. Poên., Jonvlle, v. 23, n. 3, p , jul./se. 2018

9 I. CONCLUSÕES Ese argo propôs um novo conversor cc-cc não solado de alo ganho baseado no conversor Buck síncrono com nduor acoplado e mulplcadores de ensão. O conversor opera de manera ressonane, o que perme comuações suave do po ZS na enrada em condução dos nerrupores e do po ZCS no bloqueo dos dodos. Em comparação com os conversores de alo ganho baseados na opologa Boos, o conversor proposo apresena menores esforços de ensão sobre os nerrupores avos, possblando o uso de MOSFETs de baxa ensão (< 100 ), os quas apresenam maor desempenho de rendmeno. Além dsso, o conversor proposo ambém apresena uma menor ulzação magnéca, levando a um menor amanho de nduor acoplado. Para verfcar a operação do conversor proposo, um proópo de 150 W desnado a aplcações envolvendo módulos F de flme fno, com ensão de enrada de e ensão de saída de 400, fo consruído e esado. Os resulados expermenas valdaram a análse em regme permanene e demonsraram o seu alo desempenho. O rendmeno máxmo meddo fo de 98,0% e o rendmeno ponderado CEC médo fo de 97,1%. Embora esse conversor enha sdo sugerdo para aender a demanda de conversores negrados a módulos F de flme fno, devdo às suas caraceríscas relevanes, o conversor proposo pode ser valoroso para ouras aplcações que necessam de ganhos elevados de ensão. AGRADECIMENTOS Os auores agradecem a CNPq, CAPES e FINEP pelo apoo fnancero e bolsas de esudo. REFERÊNCIAS [1] Fraunhofer ISE, Phoovolacs repor, [Onlne]. Dsponível: [2] D. Meneses, F. Blaabjerg, O. Garca, J. A. bos, Revew and comparson of sep-up ransformerless opologes for phoovolac ac-module applcaon, IEEE Transacons on Power Elecroncs, vol. 28, n o 6, pp , Junho [3] SUPSI - SEAC, Buldng negraed phoovolacs repor, [Onlne]. Dsponível: [4] W. L, X. He, Revew of nonsolaed hgh sep-up dc/dc converers n phoovolac grd-conneced applcaons, IEEE Transacons on Indusral Elecroncs, vol. 58, n o 4, pp , Abrl [5] M. Kasper, D. Bors, J. W. Kolar, Classfcaon and comparave evaluaon of P panel-negraed dc-dc converer conceps, IEEE Transacons on Power Elecroncs, vol. 29, n o 5, pp , Mao [6] H. Zhou, J. Zhao, Y. Han, P balancers: concep, archecures, and realzaon, IEEE Transacons on Power Elecroncs, vol. 30, n o 7, pp , Julho [7] S. Harb, M. Keda, H. Zhang, R. S. Balog, Mcronverer and srng nverer grd-conneced phoovolac sysem a comprehensve sudy, n Proc. of IEEE PSC, pp , [8] B. Gu, J. Domnc, B. Chen, L. Zhang, J.-S. La, Hybrd ransformer ZS/ZCS dc-dc converer wh opmzed magnecs and mproved power devces ulzaon for P module applcaons, IEEE Transacons on Power Elecroncs, vol. 30, n o 4, pp , Abrl [9] A. Hu, S. Harb, N. Kuku, I. Baarseh, Z. J. Shen, A revew of power decouplng echnques for mcronverers wh hree dfferen decouplng capacor locaons n P sysems, IEEE Transacons on Power Elecroncs, vol. 28, n o 6, pp , Junho [10] L. Schmz, D. C. Marns, R. F. elho, Generalzed hgh sep-up dc-dc boos-based converer wh gan cell, IEEE Transacons on Crcus Sysems I, Regular Papers, vol. 64, n o 2, pp , Fev [11] Q. Zhao, F. Tao, Y. Hu, F. C. Lee, Acve-clamp dc/dc converers usng magnec swches, n Proc. of IEEE APEC, pp , [12] Q. Zhao, F. C. Lee, Hgh-effcency, hgh sep-up dcdc converers, IEEE Transacons on Power Elecroncs, vol. 18, n o 1, pp , Jan [13] K. C. Tseng, T. J. Lang, Novel hgh-effcency sepup converer, IEE Proceedngs - Elecrc Power Applcaons, vol. 151, n o 2, pp , Março [14] J.-W. Baek, M.-H. Ryoo, T.-J. Km, D.-W. Yoo, J.-S. Km, Hgh boos converer usng volage mulpler, n Proc. of IEEE IECON, pp [15] R.-J. Wa, R.-Y. Duan, Hgh sep-up converer wh coupled-nducor, IEEE Transacons on Power Elecroncs, vol. 20, n o 5, pp , Se [16] D. M. an, de Sype, K. De Gusseme, B. Renders, A. P. an den Bossche, J. A. Melkebeek, A sngle swch boos converer wh a hgh converson rao, n Proc. of IEEE APEC, pp , [17] Y. Zhao, W. L, Y. Deng, X. N. He, S. Lamber,. Pcker, Hgh sep-up boos converer wh coupled nducor and swched capacor, n Proc. of IET PEMD, pp. 1-6, [18] S.-M. Chen, T.-J. Lang, L.-S. Yang, J.-F. Chen, A cascaded hgh sep-up dc-dc converer wh sngle swch for mcrosource applcaons, IEEE Transacons on Power Elecroncs, vol. 26, n o 4, pp , Abrl [19] M.-S. Ln, L.-S. Yang, T.-J. Lang, Sudy and mplemenaon of a sngle swch cascadng hgh sepup dc-dc converer, n Proc. of IEEE ECCE, pp , [20] Y.-P. Hseh, J.-F. Chen, T.-J. Lang, L.-S. Yang, A novel hgh sep-up dc-dc converer for a mcrogrd sysem, IEEE Transacons on Power Elecroncs, vol. 26, n o 4, pp , Abrl [21] Y.-P. Hseh, J.-F. Chen, T.-J. Lang, L.-S. Yang, Novel hgh sep-up dc-dc converer wh couplednducor and swched-capacor echnques for a susanable energy sysem, IEEE Transacons on Power Elecroncs, vol. 26, n o 12, pp , Dez Elerôn. Poên., Jonvlle, v. 23, n. 3, p , jul./se

10 [22] Y. Berkovch, B. Axelrod, Hgh sep-up dc-dc converer based on he swched-coupled-nducor boos converer and dode-capacor mulpler, n Proc. of IET PEMD, pp. 1-5, [23] T.-J. Lang, S.-M. Chen, L.-S. Yang, J.-F. Chen, A. Ionovc, Ulra-large gan sep-up swched-capacor dc-dc converer wh coupled nducor for alernave sources of energy, IEEE Transacons on Crcus Sysems I, Regular Papers, vol. 59, n o 4, pp , Abrl [24] H.-W. Seong, H.-S. Km, K.-B. Park, G.-W. Moon, M.- J. Youn, Hgh sep-up dc-dc converers usng zerovolage swchng boos negraon echnque and lghload frequency modulaon conrol, IEEE Transacons on Power Elecroncs, vol. 27, n o 3, pp , Março [25] Y.-P. Hseh, J.-F. Chen, T.-J. Lang, L.-S. Yang, Novel hgh sep-up dc-dc converer wh couplednducor and swched-capacor echnques, IEEE Transacons on Indusral Elecroncs, vol. 59, n o 2, pp , Fev [26] K.-B. Park, G.-W. Moon, M.-J. Youn, Hgh sep-up boos converer negraed wh a ransformer-asssed auxlary crcu employng quas-resonan operaon, IEEE Transacons on Power Elecroncs, vol. 27, n o 4, pp , Abrl [27] Y. Deng, Q. Rong, W. L, Y. Zhao, J. Sh, X. He, Sngle-swch hgh sep-up converers wh bul-n ransformer volage mulpler cell, IEEE Transacons on Power Elecroncs, vol. 27, n o 8, pp , Agoso [28] I. Lard, D. D.-C. Lu, Hgh sep-up dc/dc opology and MPPT algorhm for use wh a hermoelecrc generaor, IEEE Transacons on Power Elecroncs, vol. 28, n o 7, pp , Julho [29] Y.-P. Hseh, J.-F. Chen, T.-J. Lang, L.-S. Yang, Novel hgh sep-up dc-dc converer for dsrbued generaon sysem, IEEE Transacons on Indusral Elecroncs, vol. 60, n o 4, pp , Abrl [30] B. Gu, J. Domnc, J.-S. La, Z. Zhao, C. Lu, Hgh boos rao hybrd ransformer dc-dc converer for phoovolac module applcaons, IEEE Transacons on Power Elecroncs, vol. 28, n o 4, pp , Abrl [31] S. Sahyan, H. M. Suryawansh, B. Sngh, M. S. Ballal, A. B. Shole, Sof-swchng dc-dc converer for dsrbued energy sources wh hgh sep-up volage capably, IEEE Transacons on Indusral Elecroncs, vol. 62, n o 11, pp , Nov [32] S. Sahyan, H. M. Suryawansh, B. Sngh, C. Chakrabory,. erma, M. S. Ballal, ZS-ZCS hgh volage gan negraed boos converer for dc mcrogrd, IEEE Transacons on Indusral Elecroncs, vol. 63, n o 11, pp , Nov DADOS BIOGRÁFICOS Lenon Schmz, nascdo em Blumenau, SC, Brasl, em 28 de março de Recebeu os íulos de Engenhero Elercsa e Mesre em Engenhara Elérca pela Unversdade Federal de Sana Caarna (UFSC) em 2013 e 2015, respecvamene. Aualmene é esudane de douorado do programa de Pós- Graduação em Engenhara Elérca da UFSC e professor subsuo do Deparameno de Engenhara Elérca e Elerônca da mesma nsução. Sua área de neresse nclu conversores esácos e ssemas conecados à rede elérca. Thamres Porh Horn, nascda em São Mguel do Oese, SC, Brasl. Aualmene, é graduanda em Engenhara de nrole e Auomação na Unversdade Federal de Sana Caarna. Suas áreas de neresse ncluem crcuos elércos, esabldade de mcrorredes e écncas de conrole aplcadas a conversores esácos. Denzar Cruz Marns, nascdo em São Paulo, SP, Brasl, em 24 de abrl de Recebeu os íulos de Engenhero Elercsa e Mesre em Engenhara Elérca pela Unversdade Federal de Sana Caarna, Floranópols, SC, Brasl, em 1978 e 1981, respecvamene, e o íulo de Douor em Engenhara Elérca pelo Insuo Naconal Polécnco de Toulouse, Toulouse, França, em Aualmene é professor ular do Deparameno de Engenhara Elérca e Elerônca da Unversdade Federal de Sana Caarna, Brasl. Robero Francsco elho, nascdo em Floranópols, SC, Brasl, em 19 de agoso de Recebeu os íulos de Engenhero Elercsa, Mesre e Douor em Engenhara Elérca pela Unversdade Federal de Sana Caarna, Floranópols, SC, Brasl, em 2006, 2008 e 2013, respecvamene. Aualmene é professor do Deparameno de Engenhara Elérca e Elerônca desa nsução, onde desenvolve rabalhos relaconados ao processameno de energa provenene de fones renováves e ao conrole e esabldade de mcrorredes. 348 Elerôn. Poên., Jonvlle, v. 23, n. 3, p , jul./se. 2018